摘要：智能制造是制造領(lǐng)域的最新發(fā)展方向，它是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，具備感知、決策、執(zhí)行、學(xué)習(xí)、互聯(lián)等特征，是先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的集成和深度融合，其中新型傳感技術(shù)是實現(xiàn)智能的基礎(chǔ)。新型傳感技術(shù)為產(chǎn)品進化設(shè)計、制造工藝優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量和裝備運行狀態(tài)監(jiān)測及裝備預(yù)測性維護等提供可靠的數(shù)據(jù)來源，在智能制造中具有基礎(chǔ)性的重要地位。回顧光纖傳感這一新型傳感技術(shù)局在離散制造、流程制造、重大和高端裝備中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析光纖傳感技術(shù)的特點和在制造領(lǐng)域的優(yōu)勢、光纖傳感對推動智能制造的作用，以及光纖光柵傳感技術(shù)和數(shù)字孿生的關(guān)系等。在此基礎(chǔ)上，重點提出光纖傳感技術(shù)在制造領(lǐng)域應(yīng)用中存在的一系列科學(xué)問題以及光纖傳感的應(yīng)用原則，指出光纖傳感技術(shù)將朝著標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展，同時指出，在今后相當(dāng)一段時間，光纖傳感基礎(chǔ)器件研究、面向極端制造環(huán)境和高端裝備的應(yīng)用研究以及精準(zhǔn)化、微小型化、集成化和CPS融合等的研究乃是光纖傳感技術(shù)在制造領(lǐng)域研究的主流。

　　關(guān)鍵詞：光纖傳感;智能制造;封裝結(jié)構(gòu);數(shù)字孿生;應(yīng)用原則

　　0前言制造業(yè)是國民經(jīng)濟和國家安全的支柱，許多國家特別是工業(yè)發(fā)達國家對制造業(yè)的地位越來越重視。美國于2018年提出了“美國先進制造領(lǐng)先戰(zhàn)略”，對于智能制造系統(tǒng)的未來，強調(diào)傳感和異常校正技術(shù)對保證產(chǎn)品一致性、質(zhì)量及可追溯性的重要性[1]。德國于2011年提出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，將智能工廠、預(yù)測性維護、3D打印、智能傳感器等作為第四次工業(yè)革命的技術(shù)發(fā)展趨勢。我國也于2015年提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，突破新型傳感器，研發(fā)具有深度感知功能的智能制造裝備以及智能化生產(chǎn)線，推進信息化與工業(yè)化深度融合是其重要戰(zhàn)略任務(wù)之一。

　　通信評職知識：光纖通信論文文獻

　　在上述戰(zhàn)略中，數(shù)據(jù)是智能制造的基石，而傳感技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計、制造和維護提供數(shù)據(jù)驅(qū)動[2]。由此可見，傳感技術(shù)在智能制造中具有基礎(chǔ)性的重要地位。大型機械裝備是制造業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多數(shù)工作在高溫、高壓和重載等極端環(huán)境下。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對多參數(shù)、大容量、分布式、實時在線檢測的要求越來越突出，特別是對于大型機械，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和在高溫、高壓、高速狀態(tài)下運行，使得其運行狀態(tài)存在多變性、耦合性和非線性，采用常規(guī)的電測技術(shù)很難，甚至根本不能滿足多參數(shù)、大容量、分布式、實時在線檢測的要求[3]。

　　此外，制造過程的工藝狀態(tài)參數(shù)眾多，各工藝參數(shù)對產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要，為了優(yōu)化工藝參數(shù)和實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯，工藝狀態(tài)感知十分重要，但大規(guī)模的工藝參數(shù)感知同樣對檢測技術(shù)提出了多參數(shù)、大容量、分布式、實時在線檢測的要求。對此，國內(nèi)外不少研究機構(gòu)和學(xué)者都在積極地探索新的適用于多參數(shù)、大容量、分布式、實時在線檢測的新理論與新技術(shù)。近年來，傳感技術(shù)的研究和開發(fā)，得到制造領(lǐng)域越來越高度的重視。

　　一些新型傳感器和成果技術(shù)不斷產(chǎn)生，其中光纖傳感技術(shù)這幾年來得到了快速的發(fā)展，為機械系統(tǒng)運行狀態(tài)和產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測與故障診斷提供了一種新的原理和方法。尤其是對于運行環(huán)境惡劣、工況與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高端機械裝備，光纖傳感體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。光纖光柵(Fibrebragggratings，F(xiàn)BGs)傳感器是一種尺寸小、電隔離、抗電磁干擾、高精度、高穩(wěn)定性和具有良好環(huán)境適應(yīng)性的傳感器，可以實現(xiàn)多種物理量的大容量、分布式動態(tài)檢測。在特種光纖或微結(jié)構(gòu)光纖上在線連續(xù) 寫入光柵，可形成連續(xù)的超弱光柵陣列，通過超大容量的波分/時分復(fù)用多波長在線光柵陣列的解調(diào)，可以實現(xiàn)成千上萬個光柵的復(fù)用[4]。從而可實現(xiàn)“無源多場、一線多點”的機械系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時測量。

　　另外，光纖光柵有效克服了當(dāng)前電學(xué)類傳感器在耐溫性、長期穩(wěn)定性、耐久性、安全性、分布傳感等方面存在的不足，還可通過非接觸式方式傳輸光信號。光纖光柵對溫度和應(yīng)變敏感，經(jīng)過封裝可以制成多類傳感器。在制造領(lǐng)域，光纖光柵傳感器既可以用于制造裝備運行狀態(tài)監(jiān)測和工藝狀態(tài)監(jiān)測，也可用于制造產(chǎn)品運行狀態(tài)的健康監(jiān)測。因此近年來光纖光柵傳感技術(shù)被廣泛用于制造業(yè)許多領(lǐng)域[5]。本文通過WebofScience中搜索標(biāo)題包含“fibrebragggrating”或“FBG”，并且摘要包含“manufacturing”的文獻(截止時間2019年12月31日)，然后排除無關(guān)文獻，剩余1275篇文獻。

　　文獻的時間跨度從1994年至2019年，文獻數(shù)量總體上呈逐年遞增的趨勢，并且近10年的相關(guān)文獻占總量的64.3%，說明當(dāng)前對制造領(lǐng)域中的光纖傳感技術(shù)的研究越來越深入。在1275篇文獻中，754篇文獻發(fā)表在期刊上，發(fā)表文獻數(shù)量前5位的期刊是《IEEEPhotonicsTechnologyLetters》，《JournalofLightwaveTechnology》，《OpticsLetters，OpticsCommunications》和《IEEESensorsJournal》。從文獻分布的國家和地區(qū)來看，相關(guān)文獻來自58個國家和地區(qū)，主要包括中國、美國、加拿大、英國、澳大利亞、德國、日本、意大利、西班牙和法國等國家，其中，中國、美國、加拿大依次位列前3位，表明我國在制造領(lǐng)域中的光纖傳感技術(shù)研究處于國際領(lǐng)先地位。制造業(yè)涉及國計民生的眾多領(lǐng)域。當(dāng)前，光纖光柵在制造業(yè)中應(yīng)用廣泛，包括機械加工裝備、航空航天器、化工等。本文重點對離散和連續(xù)制造中的典型裝備，以及重大和高端機械產(chǎn)品的光纖傳感檢測及其應(yīng)用的問題進行分析。

　　1光纖傳感在制造領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　1.1光纖傳感在離散制造中的研究現(xiàn)狀

　　數(shù)控機床是離散制造業(yè)的重要裝備，其加工精度直接影響零件的質(zhì)量和產(chǎn)品的性能。數(shù)控機床加工精度的影響因素包括運動學(xué)誤差、熱誤差、切削力誤差、伺服誤差和刀具磨損等[6]。機床的運動學(xué)誤差和熱誤差是數(shù)控機床加工精度的最大影響因素，其中，熱誤差可達機床總誤差的40%～70%[7]，尤其對于重型數(shù)控機床，由環(huán)境溫度等引起的結(jié)構(gòu)熱誤差往往占機床總誤差的份額較高。影響機床零部件熱變形的熱能主要來源是環(huán)境溫度、冷卻液、切削生熱、電機電阻生熱、機床零部件之間的摩擦生熱等，產(chǎn)生熱變形的主要零部件是主軸、滾珠絲桿和機床結(jié)構(gòu)件等。熱誤差補償?shù)幕�本前提是測量機床熱變形部件的溫度場和形變，建立機床的熱誤差模型[8]，從而在機床工作過程中對其熱誤差進行準(zhǔn)確監(jiān)測、預(yù)報和補償。

　　1.1.1數(shù)控機床溫度場監(jiān)測

　　測量機床溫度場的方法可以分為接觸式和非接觸式兩類。非接觸式測量方法主要是采用紅外熱成像的方法獲取機床零部件的表面溫度，其測量面積大，但對于重型數(shù)控機床，需要多臺紅外熱成像儀，成本高昂，而且難以跟蹤測量機床旋轉(zhuǎn)部件的溫度場。接觸式溫度傳感器是當(dāng)前使用最普遍的機床表面溫度傳感器，其基本原理是基于熱敏電阻和熱電偶，具有工藝性好、價格低的優(yōu)點。然而，所有傳統(tǒng)傳感器在機床表面溫度監(jiān)測中還存在以下不足[9]。

　　(1)環(huán)境適應(yīng)性差：數(shù)控機床工作環(huán)境中存在油液、冷卻液、切削屑等，其容易造成熱敏電阻和熱電偶的腐蝕或損壞。(2)抗干擾能力差：重型機床上電機和電柜工作時產(chǎn)生強電磁場，容易對熱敏電阻和熱電偶的工作產(chǎn)生干擾，造成數(shù)據(jù)噪聲大，并降低數(shù)據(jù)的可靠性。(3)重型數(shù)控機床的熱誤差分析需要建立在大量溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，需要幾十乃至幾百個溫度測點，每個熱敏電阻和熱電偶需要兩條導(dǎo)線，造成引線多，難以大量部署。

　　2光纖傳感的特點及在制造領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢

　　2.1光纖光柵傳感原理

　　光纖光柵是通過紫外曝光技術(shù)在經(jīng)過載氫增敏的光纖芯內(nèi)形成折射率周期性分布結(jié)構(gòu)。當(dāng)帶寬光入射光到光纖光柵時，折射率周期性結(jié)構(gòu)會反射回特定波長的窄帶光，反射光中心波長滿足Bragg反射條件。

　　3光纖傳感對智能制造的推動作用

　　感知數(shù)據(jù)為產(chǎn)品的全生命周期提供數(shù)據(jù)支撐，感知的準(zhǔn)確度直接決定了產(chǎn)品的加工質(zhì)量、裝備故障診斷和預(yù)測的準(zhǔn)確性，因此，精準(zhǔn)的智能感知是智能制造的基礎(chǔ)。光纖傳感技術(shù)對智能制造的推動作用主要體現(xiàn)在形成智能材料、實現(xiàn)精準(zhǔn)感知、構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)和形成智能閉環(huán)等方面。

　　4光纖傳感與數(shù)字孿生的關(guān)系

　　數(shù)字孿生是智能制造的核心內(nèi)容之一，它是利用物理模型、傳感器感知，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，實現(xiàn)虛實空間的精準(zhǔn)映射，保證數(shù)字孿生體總是準(zhǔn)確反映物理實體的真實狀態(tài)，從而可以利用高保真度的數(shù)字孿生體提高產(chǎn)品設(shè)計、制造和維護水平[120]。在制造領(lǐng)域，產(chǎn)品、產(chǎn)線、車間、工廠都可擁有其對應(yīng)的數(shù)字孿生模型。

　　其中，針對產(chǎn)品的數(shù)字孿生，可以建立其設(shè)計、制造、服役維護、回收階段等產(chǎn)品全生命周期不同階段的數(shù)字孿生模型[121]。數(shù)字孿生對于預(yù)測和優(yōu)化產(chǎn)品性能、推進設(shè)計和制造高效協(xié)同、確保設(shè)計和制造準(zhǔn)確執(zhí)行等方面具有重要的作用。無論建立何種對象的數(shù)字孿生，關(guān)鍵的核心技術(shù)：①物理空間對象的多尺度、精準(zhǔn)、實時感知;②數(shù)字空間模型的高精確度建模;③物理空間和虛擬空間的交互技術(shù)。其中，對物理空間對象的多尺度、精準(zhǔn)、實時感知是數(shù)字空間與物理空間關(guān)聯(lián)共生、雙向映射，保證數(shù)字孿生體準(zhǔn)確度的關(guān)鍵，也是數(shù)字孿生區(qū)別于傳統(tǒng)虛擬仿真的關(guān)鍵所在[122]。

　　5光纖傳感應(yīng)用的科學(xué)問題和應(yīng)用原則

　　5.1光纖傳感應(yīng)用的科學(xué)問題

　　雖然國內(nèi)外學(xué)者長期以來在光纖光柵傳感器封裝和應(yīng)用上開展了大量的研究，但在光纖傳感器在惡劣環(huán)境下的性能、傳感器數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用等方面還有存在一定的不足。(1)在傳感器性能方面：光纖光柵會隨著時間衰退，在高溫環(huán)境下更是如此，光柵的衰退會造成光柵中心波長偏移，影響傳感器的長期穩(wěn)定性。光纖光柵通常需要通過一定的封裝將其用于其他物理量的測量，封裝材料的性能退化也會影響光纖光柵傳感的性能，特別是在高溫、高壓、腐蝕環(huán)境下，封裝材料的性能更容易產(chǎn)生退化。此外，光纖光柵振動傳感器的響應(yīng)頻率與傳統(tǒng)的壓電類振動傳感器還存在一定的差距。

　　當(dāng)前的研究對上述問題還缺乏有效的解決途徑，對光纖光柵傳感器的應(yīng)用形成了制約。(2)在傳感數(shù)據(jù)處理方面：當(dāng)前針對重型機床、飛機等大型復(fù)雜機械的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)側(cè)重于狀態(tài)參數(shù)的獲取，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理關(guān)注較少。然而，大型復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)大，其狀態(tài)參數(shù)多、數(shù)據(jù)量大，對數(shù)據(jù)處理的實時性提出了很高的要求，而且狀態(tài)參數(shù)之間可能存在相互耦合，這對數(shù)據(jù)解耦帶來了極大的挑戰(zhàn)。

　　6光纖傳感的發(fā)展展望

　　本文概述了光纖傳感在制造領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀、光纖傳感對推動智能制造的作用、光纖傳感應(yīng)用的科學(xué)問題和應(yīng)用原則，以及光纖傳感與數(shù)字孿生的關(guān)系等。對比國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，國外在光纖傳感方面的研究起步早，提出了光纖光柵、光子晶體光柵、EFPI-FBG復(fù)合傳感器等不同類型的光纖傳感原理，國內(nèi)在光纖傳感器的應(yīng)用方面開展了更為廣泛的研究，將光纖傳感的應(yīng)用拓展到大型、高端裝備。在傳感器的性能指標(biāo)方面，國外在光纖傳感器的耐低溫(可達−269℃)和耐高溫性能(可達1900℃)、基于金屬3D打印的光纖傳感器封裝等方面目前更具優(yōu)勢，國內(nèi)在光纖光柵振動傳感器的性能參數(shù)和測量維度方面更具優(yōu)勢。

　　7結(jié)論

　　傳感技術(shù)為機械產(chǎn)品和裝備的設(shè)計、制造和維護等全生命周期不同階段中的優(yōu)化和決策提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)，是智能制造的基石。光纖傳感以不受電磁干擾、穩(wěn)定可靠、體積小、多物理量分布式測量、容量大等無可比擬的優(yōu)勢正得到越來越多的重視。大力發(fā)展光纖傳感技術(shù)，解決光纖傳感技術(shù)在制造領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸，能夠滿足智能制造高可靠、高性能、大規(guī)模感知需求，為智能制造提供更為強大的驅(qū)動力。

　　本文在綜述了光纖傳感在離散制造、流程制造，以及重大和高端裝備的狀態(tài)監(jiān)測和維護的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析和總結(jié)了光纖傳感的特點及其在制造領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢，闡述了光纖傳感技術(shù)對智能制造在形成智能材料、構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)精準(zhǔn)感知和形成智能閉環(huán)等方面的推動作用，總結(jié)了基于光纖光柵還存在從傳感的無源多場狀態(tài)智能感知新原理、特殊工況計算模擬的理論與方法，到多傳感器數(shù)據(jù)傳輸、處理和數(shù)據(jù)融合的理論與算法等一系列有待解決的科學(xué)問題，并指出光纖傳感技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、基礎(chǔ)器件研發(fā)、極端制造環(huán)境感知是光纖傳感在制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

　　作者：周祖德1姚碧濤1譚躍剛1劉明堯1李天梁1魏勤